计算机数控装置(CNC)课件

第三章 计算机数控装置(CNC)第一节：第一节：CNC组成和特点组成和特点第二节：第二节：CNC硬件结构硬件结构第三节：第三节：CNC软件结构软件结构第四节：第四节：CNC控制原理和功能控制原理和功能第三章 计算机数控装置(CNC)第一节：CNC组成和特点13.1 CNC3.1 CNC组成与特点组成与特点 一、一、CNCCNC装置的组成装置的组成 二、二、CNCCNC装置的工作过程装置的工作过程 三、三、CNCCNC装置的优点装置的优点 四、四、CNCCNC装置的功能装置的功能3.1 CNC组成与特点2 从从自自动动控控制制的的角角度度来来看看，CNCCNC系系统统是是一一种种位位置置（轨轨迹迹）控控制制系系统统，其其本本质质上上是是以以多多执执行行部部件件(各各运运动动轴轴)的的位位移移量量为为控控制制对对象象并并使使其其协协调调运运动动的的自自动动控控制制系系统统，是是一一种种配配有有专专用用操操作作系系统统的的计算机控制系统计算机控制系统。从从外外部部特特征征来来看看，CNCCNC系系统统是是由由硬硬件件（通通用用硬硬件件和和专专用用硬硬件件）和和软软件件（专专用用）两两大大部部分分组组成的。成的。3.1.13.1.1、CNCCNC装置的组成装置的组成 从自动控制的角度来看，CNC系统是一种位置（轨迹）控制系统3(一）CNC系统的硬件一般性结构 结结构构：由由计计算算机机基基本本系系统统、设设备备支支持持层层、设设备备层层组组成。成。计计 算算 机机 基基 本本 系系 统统设备层设备层设备支持层设备支持层接 口人机控制运动控制PMC其他I/O其他设备计算机系统显示设备输入/出设备机 床机器人测量机 .图图3-1 3-1 CNCCNC的一般性硬件结构的一般性硬件结构3.1.1、CNC装置的组成装置的组成(一）CNC系统的硬件一般性结构计 算 机 基 本 系 统设4（二）CNC系统软件的功能性结构n n本本质质特特征征:CNCCNC系系统统软软件件是是具具有有实实时时性性和和多多任任务务性性的专用操作系统，的专用操作系统，n n功功能能特特征征:该该操操作作系系统统由由CNCCNC管管理理软软件件和和CNCCNC控控制软件制软件两部分组成。它是两部分组成。它是CNCCNC系统活的系统活的灵魂灵魂。一、一、CNC装置的组成3.1.1、CNC装置的组成装置的组成（二）CNC系统软件的功能性结构一、CNC装置的组成3.15操作系统管理软件控制软件零件程序管理显示处理人机交互位置控制输入输出管理插补运算故障诊断处理速度处理机床输入输出编译处理主轴控制刀具半径补偿.一、一、CNCCNC装置的组成装置的组成3.1.1、CNC装置的组成装置的组成操作系统管理软件控制软件零件程序管理显示处理人机交互位置控制6（三）（三）CNCCNC硬件软件的作用和相互关系硬件软件的作用和相互关系 硬件是基础，软件是灵魂硬件是基础，软件是灵魂 CNCCNC装装置置的的系系统统软软件件在在系系统统硬硬件件的的支支持持下下，合合理理地地组织、管理整个系统的各项工作。组织、管理整个系统的各项工作。CNCCNC系统的硬件和软件构成了系统的硬件和软件构成了CNCCNC系统的系统平台。系统的系统平台。以以计计算算机机标标准准硬硬件件为为基基础础，软软件件取取代代专专有有硬硬件件（软软件化数控）是发展趋势。件化数控）是发展趋势。一、一、CNCCNC装置的组成装置的组成3.1.1、CNC装置的组成装置的组成（三）CNC硬件软件的作用和相互关系一、CNC装置的组成37 CNC系统平台系统平台硬件操作系统管理软件应用软件控制软件数控加工程序接口被控设备被控设备机床机器人测量机.一、一、CNCCNC装置的组成装置的组成3.1.1、CNC装置的组成装置的组成 CNC系统平台硬件操作系统管理软件应用软件控制软件数控加工8平台有以下两方面的含义：平台提供平台提供CNCCNC系统基本配置的必备功能；系统基本配置的必备功能；在平台上可以根据用户的要求进行功能设计在平台上可以根据用户的要求进行功能设计和开发。和开发。3.1.1、CNC装置的组成装置的组成平台有以下两方面的含义：3.1.1、CNC装置的组成91.具有灵活性和通用性具有灵活性和通用性qqCNCCNC装置的功能大多由软件实现，且软硬件采用装置的功能大多由软件实现，且软硬件采用模块化的结构，对设计和开发者而言，系统功能模块化的结构，对设计和开发者而言，系统功能的修改、扩充变得较为灵活。的修改、扩充变得较为灵活。qqCNCCNC装置其基本配置部分是通用的，不同的数控装置其基本配置部分是通用的，不同的数控机床仅配置相应的特定的功能模块，以实现特定机床仅配置相应的特定的功能模块，以实现特定的控制功能。的控制功能。3.1.2、CNCCNC装置的特点装置的特点3.1.2、CNC装置的特点10 2.2.数控功能丰富数控功能丰富qq插补功能：二次曲线、样条、空间曲面等插补插补功能：二次曲线、样条、空间曲面等插补qq补补偿偿功功能能：运运动动精精度度、随随机机误误差差补补偿偿、非非线线性性误误 差补偿等差补偿等qq人人机机对对话话功功能能：加加工工的的动动、静静态态跟跟踪踪显显示示，高高级级人人机对话窗口机对话窗口qq编程功能：编程功能：G G代码、篮图编程、部分自动编程功能。代码、篮图编程、部分自动编程功能。3.1.2、CNC装置的优点装置的优点 2.数控功能丰富3.1.2、CNC装置的优点11 3.3.可靠性高可靠性高qq采采用用集集成成度度高高的的电电子子元元件件、芯芯片片、采采用用VLSIVLSI本本身身就就是可靠性的保证。是可靠性的保证。qq许多功能由软件实现，硬件的数量减少。许多功能由软件实现，硬件的数量减少。qq丰丰富富的的故故障障诊诊断断及及保保护护功功能能(大大多多由由软软件件实实现现)，从从而而可可使使系系统统的的故故障障发发生生的的频频率率和和发发生生故故障障后后的的修修复复时间降低。时间降低。3.1.2、CNC装置的优点装置的优点 3.可靠性高3.1.2、CNC装置的优点123.3.使用维护方便使用维护方便qq操操操操作作作作使使使使用用用用方方方方便便便便：用用户户只只需需根根据据菜菜单单的的提提示示，便便可可进行正确操作。进行正确操作。qq编编编编程程程程方方方方便便便便：具具有有多多种种编编程程的的功功能能、程程序序自自动动校校验验和模拟仿真功能。和模拟仿真功能。qq维维维维护护护护维维维维修修修修方方方方便便便便：部部分分日日常常维维护护工工作作自自动动进进行行(润润滑滑，关关键键部部件件的的定定期期检检查查等等)，数数控控机机床床的的自自诊诊断功能，可迅速实现故障准确定位。断功能，可迅速实现故障准确定位。3.1.2、CNC装置的优点装置的优点3.使用维护方便3.1.2、CNC装置的优点133.3.易于实现机电一体化易于实现机电一体化 数数控控系系统统控控制制柜柜的的体体积积小小（采采用用计计算算机机，硬硬件件数数量量减减少少；电电子子元元件件的的集集成成度度越越来来越越高高，硬硬件件的的不不断断减减小小），使使其其与与机机床床在在物物理理上上结结合合在在一一起成为可能，减少占地面积，方便操作。起成为可能，减少占地面积，方便操作。3.1.2、CNC装置的优点装置的优点3.易于实现机电一体化3.1.2、CNC装置的优点14功功能能：满满足足用用户户操操作作和和机机床床控控制制要要求求的的方方法法和和手段。手段。qq基基本本功功能能数数控控系系统统基基本本配配置置的的功功能能，即即必必备备的功能；的功能；qq选选择择功功能能用用户户可可根根据据实实际际使使用用要要求求选选择择的的功功能。能。3.1.33.1.3、CNCCNC装置的功能装置的功能功能：满足用户操作和机床控制要求的方法和手段。3.1.3、C15 1 1.控制功能控制功能n n CNCCNC能能控制控制和能和能联动控制联动控制的进给轴数。的进给轴数。n nCNCCNC的进给轴分类：的进给轴分类：n n 移动轴（移动轴（X X、Y Y、Z Z）和回转轴（和回转轴（A A、B B、C C）；）；n n 基本轴和附加轴（基本轴和附加轴（U U、V V、W W）。）。n n联联动动控控制制轴轴数数越越多多，CNCCNC系系统统就就越越复复杂杂，编编程程也也越越困难。困难。3.1.3、CNC装置的功能装置的功能 1.控制功能3.1.3、CNC装置的功能162.2.准备功能（准备功能（G G功能）功能）指令机床动作方式的功能。已在第二章介绍。3.1.3、CNC装置的功能装置的功能2.准备功能（G功能）3.1.3、CNC装置的功能173.3.插补功能和固定循环功能插补功能和固定循环功能 插补功能插补功能 数数控控系系统统实实现现零零件件轮轮廓廓(平平面面或或空空间间)加加工工轨轨迹迹运运算的功能。算的功能。固定循环功能固定循环功能 数数控控系系统统实实现现典典型型加加工工循循环环（如如：钻钻孔孔、攻攻丝丝、镗孔、深孔钻削和切螺纹等）的功能镗孔、深孔钻削和切螺纹等）的功能3.1.3、CNC装置的功能装置的功能3.插补功能和固定循环功能3.1.3、CNC装置的功能18 3.3.进给功能进给功能 进给速度的控制功能。进给速度的控制功能。qq进进给给速速度度 控控制制刀刀具具相相对对工工件件的的运运动动速速度度，单单位为位为mm/minmm/min。qq同同步步进进给给速速度度 实实现现切切削削速速度度和和进进给给速速度度的的同同步，单位为步，单位为 mm/r mm/r，用于螺纹加工，用于螺纹加工qq进进给给倍倍率率（进进给给修修调调率率-OverrideOverride）人人工工实实时时修调预先给定的进给速度。修调预先给定的进给速度。3.1.3、CNC装置的功能装置的功能 3.进给功能3.1.3、CNC装置的功能193.3.主轴功能主轴功能 主轴切削速度、周向位置控制功能。主轴切削速度、周向位置控制功能。qq主轴转速主轴转速主轴转速的控制功能，单位：主轴转速的控制功能，单位：r/minr/min。qq恒恒 线线 速速 度度 控控 制制 刀刀 具具 切切 削削 点点 的的 切切 削削 速速 度度 为为 恒恒 速速 的控制功能。单位：（的控制功能。单位：（m/minm/min）qq主轴定向控制主轴定向控制主轴周向定位于特定位置控制的功主轴周向定位于特定位置控制的功能。能。qqC C轴控制轴控制主轴周向任意位置控制的功能。主轴周向任意位置控制的功能。qq主轴修调率主轴修调率人工实时修调预先设定的主轴转速。人工实时修调预先设定的主轴转速。3.1.3、CNC装置的功能装置的功能3.主轴功能3.1.3、CNC装置的功能206.6.辅助功能（辅助功能（M M功能）功能）用于指令机床辅助操作的功能。已在第二章介绍。3.1.3、CNC装置的功能装置的功能6.辅助功能（M功能）3.1.3、CNC装置的功能21 7.7.刀具管理功能刀具管理功能 实现对刀具几何尺寸和刀具寿命的管理功能。实现对刀具几何尺寸和刀具寿命的管理功能。qq刀刀具具几几何何尺尺寸寸管管理理：管管理理刀刀具具半半径径和和长长度度，供供刀刀具具补补偿功能使用；偿功能使用；qq刀刀具具寿寿命命管管理理：管管理理时时间间寿寿命命，当当刀刀具具寿寿命命到到期期时时，CNCCNC系统将提示更换刀具；系统将提示更换刀具；qq刀刀具具类类型型管管理理：用用于于标标识识刀刀库库中中的的刀刀具具和和自自动动选选择择加加工刀具。工刀具。3.1.3、CNC装置的功能装置的功能 7.刀具管理功能3.1.3、CNC装置的功能22 8.8.补偿功能补偿功能qq刀刀具具半半径径和和长长度度补补偿偿功功能能：实实现现按按零零件件轮轮廓廓编编制制的的程程序控制刀具中心轨迹的功能。序控制刀具中心轨迹的功能。qq传传动动链链误误差差：包包括括螺螺距距误误差差补补偿偿和和反反向向间间隙隙误误差差补补偿偿功能。功能。qq非非线线性性误误差差补补偿偿功功能能：对对诸诸如如热热变变形形、静静态态弹弹性性变变形形、空空间间误误差差以以及及由由刀刀具具磨磨损损所所引引起起的的加加工工误误差差等等，采采用用AIAI、专专家家系系统统等等新新技技术术进进行行建建模模，利利用用模模型型实实时时在在线线补偿。补偿。3.1.3、CNC装置的功能装置的功能 8.补偿功能3.1.3、CNC装置的功能23 9.9.人机对话功能人机对话功能qq菜单结构操作界面；菜单结构操作界面；qq零件加工程序的编辑环境；零件加工程序的编辑环境；pp系系统统和和机机床床参参数数、状状态态、故故障障信信息息的的显显示示、查查询询或或修修改改画画面面等。等。3.1.3、CNC装置的功能装置的功能 9.人机对话功能3.1.3、CNC装置的功能2410.10.自诊断功能自诊断功能 CNCCNC自自动动实实现现故故障障预预报报和和故故障障定定位位的的功功能。能。qq开机自诊断；开机自诊断；qq在线自诊断；在线自诊断；qq离线自诊断；离线自诊断；qq远程通讯诊断。远程通讯诊断。3.1.3、CNC装置的功能装置的功能10.自诊断功能3.1.3、CNC装置的功能2511.11.通讯功能通讯功能 CNCCNC与外界进行信息和数据交换的功能与外界进行信息和数据交换的功能ppRS232CRS232C接口，可传送零件加工程序，接口，可传送零件加工程序，ppDNCDNC接口，可实现直接数控，接口，可实现直接数控，ppMAPMAP（制造自动化协议）模块，（制造自动化协议）模块，pp网卡网卡 适应适应FMSFMS、CIMSCIMS、IMSIMS等制造系统集成的要求。等制造系统集成的要求。3.1.3、CNC装置的功能装置的功能11.通讯功能3.1.3、CNC装置的功能263.2CNC装置的硬件结构n n现在生产和新研制的数控机床都是采用微型计算机数控现在生产和新研制的数控机床都是采用微型计算机数控装置。装置。n n从价格、功能和使用等性能指标考虑，可分为从价格、功能和使用等性能指标考虑，可分为经济型、经济型、经济型、经济型、标准型和高档型标准型和高档型标准型和高档型标准型和高档型三类数控装置；三类数控装置；n n按微处理器的数目可分为：按微处理器的数目可分为：单微处理器和多微处理器结构单微处理器和多微处理器结构单微处理器和多微处理器结构单微处理器和多微处理器结构n n按电路板的结构特点可分为：按电路板的结构特点可分为：大板结构和模块化结构大板结构和模块化结构大板结构和模块化结构大板结构和模块化结构273.2 CNC装置的硬件结构现在生产和新研制的数控机床都是273.2.1单微处理器CNC装置硬件结构n n单单微微处处理器数控装置以一个中央理器数控装置以一个中央处处理器（理器（CPUCPU）为为核心，核心，CPUCPU通通过总线过总线与存与存储储器以及各种接口相器以及各种接口相连连接，采取集中控接，采取集中控制、分制、分时处时处理的工作方式，完成数控加工中的各种任理的工作方式，完成数控加工中的各种任务务。n n由于由于单单微微处处理器数控装置只有一个中央理器数控装置只有一个中央处处理器（理器（CPUCPU），），其功能受到其功能受到CPUCPU字字长长、数据、数据宽宽度、度、处处理速度、理速度、寻寻址能力等址能力等因素的限制，因素的限制，为为提高提高处处理能力，人理能力，人们们常采用增加常采用增加协处协处理器理器以提高运算速度，采用以提高运算速度，采用带带CPUCPU的的PLCPLC和和CRTCRT智能部件等。智能部件等。n n这这种系种系统虽统虽然有两个以上的微然有两个以上的微处处理器，但其中只有一个主理器，但其中只有一个主微微处处理器能控制理器能控制总线总线，其它的，其它的CPUCPU只是附属的只是附属的专专用智能部用智能部件，它件，它们组们组成的是主从成的是主从结结构，故仍被构，故仍被归类为单归类为单微微处处理器理器结结构。构。283.2.1 单微处理器CNC装置硬件结构单微处理器数控装置以283.2.2多微处理器CNC装置的硬件结构（1）n n在在一一个个数数控控系系统统中中有有两两个个或或两两个个以以上上的的微微处处理理机机，CPUCPU之之间间采采用用紧紧耦耦合合，有有集集中中的的操操作作系系统统，通通过过总总线线仲仲裁裁器器(由由硬硬件件和和软软件件组组成成)来来解解决决总总线线争争用用问问题题，通通过公共存储器来进行信息交换。过公共存储器来进行信息交换。n n特特特特点点点点：能能实实现现真真正正意意义义上上的的并并行行处处理理，处处理理速速度度快快，可以实现较复杂的系统功能。可以实现较复杂的系统功能。n n容容错错能能力力强强，在在某某模模块块出出了了故故障障后后，通通过过系系统统重重组组仍仍可断继续工作可断继续工作n n结构形式：结构形式：结构形式：结构形式：共享总线结构型、共享存储器结构型共享总线结构型、共享存储器结构型293.2.2多微处理器CNC装置的硬件结构（1）在一个数控系统293.2.2多微处理器CNC装置的硬件结构（2）（1 1）功能模块）功能模块）功能模块）功能模块n n多微处理机数控装置把机床数字控制这个总任务划分成多个多微处理机数控装置把机床数字控制这个总任务划分成多个子任务，硬件系统和软件系统一般均采用模块化结构，每个子任务，硬件系统和软件系统一般均采用模块化结构，每个微处理器分管各自的任务，形成特定的功能单元、即功能模微处理器分管各自的任务，形成特定的功能单元、即功能模块。块。n n各功能单元之间可采用紧耦合，有集中的操作系统；也可采各功能单元之间可采用紧耦合，有集中的操作系统；也可采用松耦合，用多重操作系统有效地实现并行处理。用松耦合，用多重操作系统有效地实现并行处理。n n模块化结构的多微处理机数控装置中的基本功能模块一般有模块化结构的多微处理机数控装置中的基本功能模块一般有以下以下6 6种，如种，如下下图所示。图所示。303.2.2多微处理器CNC装置的硬件结构（2）（1）功能模块303.2.2多微处理器CNC装置的硬件结构（3）n nCNCCNC管理模管理模块块，这这是是实现实现管理和管理和组织组织整个整个CNCCNC系系统统的功能的功能模模块块，如系，如系统统的初始化、中断管理、的初始化、中断管理、总线总线仲裁、系仲裁、系统统出出错错的的识别识别和和处处理、系理、系统软统软硬件的硬件的诊诊断等功能由断等功能由该该模模块块完成。完成。n nCNCCNC插插补补模模块块，该该模模块块完成零件程序的完成零件程序的译码译码、刀具半径、刀具半径补补偿偿、坐、坐标标位移量的位移量的计计算和算和进给进给速度速度处处理等插理等插补补前的前的预处预处理，理，然后然后进进行插行插补计补计算，算，为为各坐各坐标轴标轴提供位移提供位移给给定定值值。313.2.2多微处理器CNC装置的硬件结构（3）CNC管理模313.2.2多微处理器CNC装置的硬件结构（4）n nPLCPLC模块，零件程序中的开关功能和由机床来的信号等模块，零件程序中的开关功能和由机床来的信号等在这个模块中作逻辑处理，实现各功能和操作方式之间的在这个模块中作逻辑处理，实现各功能和操作方式之间的连锁，机床电气设备的启、停，刀具交换，转台分度，工连锁，机床电气设备的启、停，刀具交换，转台分度，工件数量和运转时间的计数等。件数量和运转时间的计数等。n n位置控制模块，该模块将插补后的坐标位置给定值与位位置控制模块，该模块将插补后的坐标位置给定值与位置检测器测得的位置实际值进行比较，求出差值，然后通置检测器测得的位置实际值进行比较，求出差值，然后通过系统增益调整，进行自动加减速、回基准点、伺服系统过系统增益调整，进行自动加减速、回基准点、伺服系统滞后量的监视和漂移及误差补偿。在此之前还要得到并输滞后量的监视和漂移及误差补偿。在此之前还要得到并输出速度控制的模拟电压（或数字信号），用于控制伺服进出速度控制的模拟电压（或数字信号），用于控制伺服进给电机运行。给电机运行。323.2.2多微处理器CNC装置的硬件结构（4）PLC模块，323.2.2多微处理器CNC装置的硬件结构（5）n n操作控制数据输入、输出和显示模块，该模块包括零操作控制数据输入、输出和显示模块，该模块包括零件程序、参数和数据以及各种操作命令的输入、输出以件程序、参数和数据以及各种操作命令的输入、输出以及显示所需的各种接口电路和程序。及显示所需的各种接口电路和程序。n n存储器模块，该模块存放程序和数据的主存储器，是存储器模块，该模块存放程序和数据的主存储器，是各功能模块间数据传送得共享存储器。每个各功能模块间数据传送得共享存储器。每个CPUCPU控制模块控制模块中还有局部存储器。中还有局部存储器。n n随着随着CNCCNC装置的功能与结构的不同，功能模块的划分和装置的功能与结构的不同，功能模块的划分和多少也不同。如果要进一步扩充功能，可再增加相应的多少也不同。如果要进一步扩充功能，可再增加相应的模块。模块。333.2.2多微处理器CNC装置的硬件结构（5）操作控制数据333.2.2多微处理器CNC装置的硬件结构（6）（2 2）通信通信通信通信方式方式方式方式n n多多微微处处理理器器的的CNCCNC置置一一般般采采用用总总线线互互联联方方式式，典典型型的的结结构构有有共享总线型、共享存储器型及它们的混合型结构共享总线型、共享存储器型及它们的混合型结构共享总线型、共享存储器型及它们的混合型结构共享总线型、共享存储器型及它们的混合型结构等。等。1 1）共享总线型结构）共享总线型结构）共享总线型结构）共享总线型结构343.2.2多微处理器CNC装置的硬件结构（6）（2）通信方式343.2.2多微处理器CNC装置的硬件结构（7）n n2 2）共享存储器结构）共享存储器结构）共享存储器结构）共享存储器结构n n采用多端口存贮器来实现多采用多端口存贮器来实现多微处理器之间的互连和通信、微处理器之间的互连和通信、即数据交换，每个端口都配即数据交换，每个端口都配备有一套数据、地址和控制备有一套数据、地址和控制线，以供端口访问，由专门线，以供端口访问，由专门的多端口控制逻辑电路解决的多端口控制逻辑电路解决访问的冲突问题。当微处理访问的冲突问题。当微处理器数量增多时，往往会由于器数量增多时，往往会由于争用共享而造成信息传输的争用共享而造成信息传输的阻塞，降低系统效率，因此阻塞，降低系统效率，因此这种结构功能扩展比较困难。这种结构功能扩展比较困难。35图图多微处理机数控装置共多微处理机数控装置共享存贮器结构图享存贮器结构图3.2.2多微处理器CNC装置的硬件结构（7）2）共享存储器353.3CNC装置的软件结构n n现现代数控机床的功能大都采用代数控机床的功能大都采用软软件来件来实现实现，因此，系，因此，系统软统软件的件的设计设计及功能是及功能是CNCCNC装置的关装置的关键键。n n计计算机数控装置的算机数控装置的软软件是整个系件是整个系统统的的“灵魂灵魂”，是控制机床，是控制机床完成加工任完成加工任务务的核心内容。的核心内容。n nCNCCNC装置的装置的软软件又称件又称为为系系统软统软件，是数控加工的一种件，是数控加工的一种专专用用软软件，是件，是为为完成完成CNCCNC系系统统的各的各项项功能而功能而专门设计专门设计和和编编制的，制的，其管理作用其管理作用类类似于似于计计算机的操作系算机的操作系统统的功能。的功能。n n不同的不同的CNCCNC装置，其功能和控制方案也不同，因而各系装置，其功能和控制方案也不同，因而各系统统软软件在件在结结构上和构上和规规模上差模上差别较别较大，各厂家的大，各厂家的软软件互不兼容。件互不兼容。n n本本节节主主要要介介介介绍绍绍绍CNCCNC软软软软件件件件的的的的特特特特点点点点、数数数数据据据据转转转转换换换换过过过过程程程程以以以以及及及及CNCCNC故障诊断程序故障诊断程序故障诊断程序故障诊断程序。363.3 CNC装置的软件结构现代数控机床的功能大都采用软件来36CNC装置软件结构的特点（1 1）多任务性和实时性）多任务性和实时性）多任务性和实时性）多任务性和实时性n nCNCCNC装置是机床的控制系统，在硬件支持下，由软件来完装置是机床的控制系统，在硬件支持下，由软件来完成成管理和控制管理和控制管理和控制管理和控制两大任务。两大任务。n n系统的系统的管理任务管理任务管理任务管理任务包括包括通信通信、显示、诊断、零件程序的输入、显示、诊断、零件程序的输入以及人机界面管理，这类程序的实时性要求不高；以及人机界面管理，这类程序的实时性要求不高；n n系统的系统的控制任务控制任务控制任务控制任务包括译码、刀具补偿、包括译码、刀具补偿、速度处理、插补、速度处理、插补、位置控制、开关量位置控制、开关量I/OI/O控制等，这类程序要完成实时性很强控制等，这类程序要完成实时性很强的控制任务。的控制任务。n n数控系统的控制软件具有数控系统的控制软件具有多任务性和实时性多任务性和实时性多任务性和实时性多任务性和实时性两大特点。两大特点。37 CNC装置软件结构的特点（1）多任务性和实时性3737CNC装置软件结构的特点n n在多数情况下，在多数情况下，CNCCNC要完成数控加工任要完成数控加工任务务，必，必须须同同时进时进行几行几个任个任务务的的处处理，即所理，即所谓谓的并行的并行处处理。理。n n例如，例如，为为使操作人使操作人员员及及时时了解了解CNCCNC系系统统的工作状的工作状态态，软软件中件中的的显显示模示模块块必必须须与控制与控制软软件同件同时执时执行行等等；n n针对针对数控系数控系统软统软件的多任件的多任务务性和性和实时实时性两大特点，有多种并性两大特点，有多种并行行处处理技理技术术。n n从硬件出从硬件出发发，可以采用，可以采用设备设备重复的并行重复的并行处处理技理技术术，如采用多，如采用多微微处处理器并行理器并行处处理理CNCCNC系系统统，各个微，各个微处处理器并行地理器并行地执执行各自行各自的的实时实时任任务务。n n从从软软件出件出发发，可采用，可采用设备设备分分时时共享并行共享并行处处理技理技术术、时间时间重叠重叠流水流水处处理技理技术术和多重中断的并行和多重中断的并行处处理技理技术术。38 CNC装置软件结构的特点在多数情况下，CNC要完成数控加工38CNC装置软件结构的特点（2 2）设备分时共享并行处理）设备分时共享并行处理）设备分时共享并行处理）设备分时共享并行处理n n在单在单CPUCPU的的CNCCNC系统中，或在多系统中，或在多CPUCPU数控系统的某个需要处数控系统的某个需要处理多任务的理多任务的CPUCPU中，一般采用分时共享的原则来解决多任务中，一般采用分时共享的原则来解决多任务的同时运行。的同时运行。n n在使用分时共享并行处理的计算机系统中，必须将各个任务在使用分时共享并行处理的计算机系统中，必须将各个任务按其所需时间的长短分割成一个个子任务，一个微处理器用按其所需时间的长短分割成一个个子任务，一个微处理器用时间片轮转的方式处理完成多任务，时间片轮转的方式处理完成多任务，n n即按照某种轮换次序给每个子任务分配即按照某种轮换次序给每个子任务分配CPUCPU时间，进行各子时间，进行各子任务的处理，从微观上看各子任务分时占用任务的处理，从微观上看各子任务分时占用CPUCPU，从宏观上，从宏观上看，在一段时间内，看，在一段时间内，CPUCPU并行地完成了各子任务，如同自动并行地完成了各子任务，如同自动线的流水作业。线的流水作业。39 CNC装置软件结构的特点（2）设备分时共享并行处理3939CNC装置软件结构的特点n n在在设设备备分分时时共共享享并并行行处处理理中中，要要充充分分地地利利用用计计算算机机的的高高速速数据数据计计算和算和处处理能力，保理能力，保证证每个任每个任务务的合理响的合理响应时间应时间。n n每每个个任任务务允允许许占占用用CPUCPU的的时时间间要要受受到到一一定定限限制制，通通常常是是这这样样处处理理的的，如如在在加加工工程程序序的的译译码码、数数据据处处理理中中，可可在在其其中中的的某某些些地地方方设设置置断断点点，当当程程序序运运行行到到断断点点时时，自自动动让让出出CPUCPU，待到下一个运行，待到下一个运行时间时间里自里自动动跳到断点跳到断点处继续执处继续执行。行。40 CNC装置软件结构的特点在设备分时共享并行处理中，要充分地40CNC装置软件结构的特点（3 3）时间重叠流水处理）时间重叠流水处理）时间重叠流水处理）时间重叠流水处理n n当当CNCCNC处处在在零零件件加加工工工工作作方方式式时时，其其数数据据的的转转换换过过程程将将由由零零件件程程序序输输入入、插插补补准准备备（包包括括译译码码和和数数据据处处理理）、插插补补和位置控制四个子过程组成。和位置控制四个子过程组成。n n如如果果每每个个子子过过程程的的处处理理时时间间分分别别为为t t1 1，t t2 2，t t3 3，t t4 4，那那么么一一个个零件程序段的数据转换时间将是零件程序段的数据转换时间将是t t=t t1 1+t t2 2+t t3 3+t t4 4。n n如如果果以以顺顺序序方方式式处处理理每每个个零零件件程程序序段段，即即第第一一个个程程序序段段处处理理完完后后再再处处理理第第二二个个程程序序段段，依依次次类类推推，这这种种顺顺序序处处理理的的时间关系如图时间关系如图4-5a4-5a所示。所示。41 CNC装置软件结构的特点（3）时间重叠流水处理4141CNC装置软件结构的特点n n从从图图中中可可以以看看出出，此此时时在在两两个个程程序序段段的的输输出出之之间间将将有有一一个个时时间间长长度度为为t t的的间间隔隔，同同样样在在第第二二个个和和第第三三个个程程序序段段的的输输出出之之间间也也会会有有这这种种时时间间间间隔隔。由由于于这这种种时时间间间间隔隔较较大大，会会导导致致电电机机时时转转时时停停，进进而而使使刀刀具具时时走走时时停停，这这种种刀刀具具时时走走时时停停在在加加工工工工艺艺上是不允上是不允许许的。的。42 CNC装置软件结构的特点从图中可以看出，此时在两个程序段的42CNC装置软件结构的特点n n消除这种时间间隔的方法是时间重叠流水处理技术，采用消除这种时间间隔的方法是时间重叠流水处理技术，采用这种技术的时间关系如图这种技术的时间关系如图4-5b4-5b所示。所示。n n其关键是时间重叠，即在每一段较小的时间间隔内，不再其关键是时间重叠，即在每一段较小的时间间隔内，不再仅处理一个子过程，而是处理两个或更多的子过程。仅处理一个子过程，而是处理两个或更多的子过程。n n这样以来，每个零件程序段的输出之间的时间间隔大为减这样以来，每个零件程序段的输出之间的时间间隔大为减小，从而保证了电机运转和刀具移动的连续性。小，从而保证了电机运转和刀具移动的连续性。43 CNC装置软件结构的特点消除这种时间间隔的方法是时间重叠流43CNC装置软件结构的特点（4 4）实时中断处理）实时中断处理）实时中断处理）实时中断处理n nCNCCNC控制软件的另一个重要特征是实时中断处理，控制软件的另一个重要特征是实时中断处理，CNCCNC系统系统的多任务性和实时性决定了系统中断成为成个系统必不可少的多任务性和实时性决定了系统中断成为成个系统必不可少的重要组成部分。的重要组成部分。n n对于有实时要求，且各种任务互相交错并发的多任务控制系对于有实时要求，且各种任务互相交错并发的多任务控制系统，可采用多重中断的并行处理技术，这时实时任务被按排统，可采用多重中断的并行处理技术，这时实时任务被按排成不同优先级别的中断服务程序，或在同一个中断程序中按成不同优先级别的中断服务程序，或在同一个中断程序中按其优先级高低而顺序运行。其优先级高低而顺序运行。n nCNCCNC系统的中断管理主要由硬件完成，而系统的中断结构决系统的中断管理主要由硬件完成，而系统的中断结构决定于系统软件的结构，其中断类型有下列几种：定于系统软件的结构，其中断类型有下列几种：44 CNC装置软件结构的特点（4）实时中断处理4444CNC装置软件结构的特点n n外外部部中中断断。主主要要有有外外部部监监控控终终端端（如如急急停停、检检测测仪仪器器到到位位等等）和和操操作作面面板板键键盘盘输输入入中中断断。前前一一种种中中断断的的实实时时性性要要求求很很高高，通通常常把把这这种种中中断断安安排排在在较较高高的的优优先先级级上上，而而操操作作面面板板输输入中断入中断则则放在放在较较低的中断低的中断优优先先级级上。上。n n内内部部定定时时中中断断。主主要要有有插插补补周周期期定定时时中中断断和和位位置置采采样样定定时时中中断断。在在有有些些系系统统中中，这这两两种种定定时时中中断断合合二二为为一一，但但在在处处理理时时，总总是先是先处处理位置控制，然后理位置控制，然后处处理插理插补补运算。运算。n n硬硬件件故故障障中中断断。这这是是各各种种硬硬件件故故障障检检测测装装置置产产生生的的中中断断，如：存如：存储储器出器出错错，定，定时时器出器出错错，插，插补补运算器超运算器超时时等。等。n n程程序序性性中中断断。它它是是程程序序中中出出现现的的各各种种异异常常情情况况而而引引起起的的报报警中断，如各种溢出，运算中出警中断，如各种溢出，运算中出现现零作除数等。零作除数等。45 CNC装置软件结构的特点外部中断。主要有外部监控终端（如453.3.2CNC装置的数据转换（1）n nCNCCNC装装置置的的数数据据转转换换是是数数控控机机床床控控制制机机床床进进行行工工作作过过程程中中位位置置、速速度度、主主轴轴转转速速等等信信息息的的传传递递和和变变换换过过程程。这这一一过过程包含程包含计计算机数控的几个核心功能，且都采用算机数控的几个核心功能，且都采用软软件完成。件完成。n nCNCCNC装置的装置的数据转换包括以下几个核心内容数据转换包括以下几个核心内容数据转换包括以下几个核心内容数据转换包括以下几个核心内容：（1 1）数控程序输入）数控程序输入）数控程序输入）数控程序输入n n数数控控程程序序输输入入是是计计算算机机数数控控读读入入由由用用户户编编写写的的加加工工程程序序的的过过程。一般有文本程序和程。一般有文本程序和图图形程序两种。形程序两种。n n文文本本程程序序读读入入是是数数控控机机床床普普遍遍采采用用的的方方式式。文文本本程程序序以以文文件件形形式式保保存存在在U U盘盘等等存存储储介介质质中中，数数控控系系统统读读取取指指定定路路径径中中的的文文本本程程序序。图图形形程程序序编编程程方方法法在在一一些些特特种种机机床床或或专专用用机机床上普遍采用床上普遍采用463.3.2 CNC装置的数据转换（1）CNC装置的数据转换是463.3.2CNC装置的数据转换（2）（2 2）译码）译码）译码）译码n n译码是从数控程序中获得加工所需的各种信息的过程。译码是从数控程序中获得加工所需的各种信息的过程。n n这这里里所所指指的的各各种种信信息息包包括括零零件件轮轮廓廓信信息息（如如直直线线的的起起点点和和终终点点，圆圆弧弧的的圆圆心心、半半径径、起起始始角角和和终终止止角角等等），速速度度信信息息（主主轴轴转转速速、进进给给速速度度等等）以以及及刀刀具具补补偿偿、刀刀库库控控制制、冷冷却却液启停等辅助信息。液启停等辅助信息。n n图形程序译码是从图形程序译码是从DxfDxf文件中获取加工轮廓信息的过程。文件中获取加工轮廓信息的过程。n n一一个个DXFDXF文文件件包包括括6 6个个段段：标标题题段段、类类别别段段、表表段段、块块段段、实实体体段段、对对象象段段。在在每每段段的的开开始始和和结结束束处处有有起起始始段段标标记记和和段段中止标记，文件结尾有文件结束标志中止标记，文件结尾有文件结束标志EOFEOF473.3.2 CNC装置的数据转换（2）（2）译码47473.3.2CNC装置的数据转换（3）（3 3）轨迹规划）轨迹规划）轨迹规划）轨迹规划n n轨迹规划的作用是根据译码得到的用户设定速度指令重新规轨迹规划的作用是根据译码得到的用户设定速度指令重新规划适合机床加工的速度指令。轨迹规划主要进行加减速控制划适合机床加工的速度指令。轨迹规划主要进行加减速控制和速度连接。和速度连接。n n加减速控制的原因是由于机床不能瞬时达到用户设定速度，加减速控制的原因是由于机床不能瞬时达到用户设定速度，并且一般要求机床运行到指定位置点时速度为零。并且一般要求机床运行到指定位置点时速度为零。n n速度连接是根据相邻两段运动指令将两段运动连接，而不需速度连接是根据相邻两段运动指令将两段运动连接，而不需要机床先从第一段速度减速到静止，再加速运行到第二段速要机床先从第一段速度减速到静止，再加速运行到第二段速度。度。483.3.2 CNC装置的数据转换（3）（3）轨迹规划48483.3.2CNC装置的数据转换（4）（4 4）插补）插补）插补）插补n n所所谓谓插插补补是是根根据据译译码码后后得得到到的的零零件件轮轮廓廓特特征征点点尺尺寸寸，结结合合速速度度指指令令信信息息、刀刀具具补补偿偿等等参参数数在在已已知知的的特特征征点点之之间间插插入入一些中间点的过程。换言之，就是一些中间点的过程。换言之，就是“数据点的密化过程数据点的密化过程”。n n插插补补之之所所以以是是计计算算机机数数控控装装置置必必备备的的功功能能，是是因因为为驱驱动动传传动动部部件件运运行行的的伺伺服服电电机机必必须须在在一一个个“很很小小”的的时时间间间间隔隔内内给给定定一一个个位位置置指指令令才才能能保保证证多多个个轴轴按按照照指指定定的的路路径径协协调调运运动动，这个时间间隔叫做这个时间间隔叫做“插补周期插补周期”。n n在在机机床床运运动动的的整整个个过过程程中中，计计算算机机数数控控装装置置不不断断地地发发送送位位置置指指令令给给每每个个伺伺服服驱驱动动单单元元的的，插插补补周周期期一一般般为为1-101-10毫毫秒秒内内的一个固定值。的一个固定值。493.3.2 CNC装置的数据转换（4）（4）插补49493.3.2CNC装置的数据转换（5）（5 5）位置控制）位置控制）位置控制）位置控制n n位置控制环节由计算机数控装置、驱动单元、伺服电机、位位置控制环节由计算机数控装置、驱动单元、伺服电机、位置（角度）传感器共同组成。位置控制一般是以周期为置（角度）传感器共同组成。位置控制一般是以周期为“插插补周期补周期”一半的固定时间为周期运行的。这个周期成为一半的固定时间为周期运行的。这个周期成为“位控位控周期周期”。在一个位控周期内，计算机数控装置对每个。在一个位控周期内，计算机数控装置对每个“位置环位置环”进行两次进行两次PIDPID校正运算，根据当期插补模块生成的位置指令校正运算，根据当期插补模块生成的位置指令进行控制，输出为伺服电机的速度指令。伺服驱动单元本身进行控制，输出为伺服电机的速度指令。伺服驱动单元本身可以进行速度环和电流环的控制。因此，数控机床的位置控可以进行速度环和电流环的控制。因此，数控机床的位置控制是一个三环串级控制。一般为了防止机床出现过切，位置制是一个三环串级控制。一般为了防止机床出现过切，位置控制都是一个过阻尼系统，即实际位置值总是滞后与位置指控制都是一个过阻尼系统，即实际位置值总是滞后与位置指令的。令的。503.3.2 CNC装置的数据转换（5）（5）位置控制50503.3.3CNC装置的故障诊断n n数控系统的软、硬件组成复杂，故障排查工作比较复杂。数控系统的软、硬件组成复杂，故障排查工作比较复杂。故障自诊断包括开机自诊断、运行自诊断、通信诊断、离故障自诊断包括开机自诊断、运行自诊断、通信诊断、离线诊断等几种。线诊断等几种。（1 1 1 1）开机自诊断）开机自诊断）开机自诊断）开机自诊断 指计算机数控装置从开始通电到进入正常指计算机数控装置从开始通电到进入正常运行准备状态为止，由其内部诊断程序自动执行的系统诊运行准备状态为止，由其内部诊断程序自动执行的系统诊断，是检查整个数控系统是否具备正常的工作条件。断，是检查整个数控系统是否具备正常的工作条件。（2 2 2 2）运行自诊断）运行自诊断）运行自诊断）运行自诊断 指计算机数控装置在运行过程中，对数控指计算机数控装置在运行过程中，对数控装置中所允许的程序及与之连接的外部设备，如伺服驱动装置中所允许的程序及与之连接的外部设备，如伺服驱动单元等进行的实时自动诊断。运行自诊断包括检测进给轴单元等进行的实时自动诊断。运行自诊断包括检测进给轴电机过载，程序编制错误等。电机过载，程序编制错误等。513.3.3 CNC装置的故障诊断数控系统的软、硬件组成复杂，513.3.3CNC装置的故障诊断（3 3）离线诊断）离线诊断）离线诊断）离线诊断n n离离线线诊诊断断是是指指采采用用专专门门工工具具和和设设备备对对计计算算机机数数控控系系统统进进行行硬硬件件故故障障排排查查，这这些些设设备备包包括括逻逻辑辑分分析析仪仪，测测试试用用计计算算机机，模模拟拟操操作作面面板板以以及及专专用用的的工工程程师师面面板板和和便便携携式式测测试仪器等。试仪器等。（4 4）通信诊断）通信诊断）通信诊断）通信诊断n n用用户户CNCCNC系系统统经经过过通通信信电电缆缆与与生生产产企企业业的的诊诊断断中中心心通通信信，由由诊诊断断中中心心的的发发出出诊诊断断程程序序，CNCCNC进进行行某某种种运运行行，同同时时收收集集数数据据，分分析析系系统统的的状状态态，从从而而完完成成对对CNCCNC系系统统的的故故障诊断。障诊断。523.3.3 CNC装置的故障诊断（3）离线诊断52523.3.4CNC装置的接口与通信n nCNCCNC装装置置的的接接口口与与通通信信是是将将CNCCNC装装置置与与其其他他元元器器件件连连接接起起来的通道。来的通道。概述概述概述概述n n计计算算机机数数控控装装置置需需要要与与操操作作面面板板、数数控控键键盘盘、人人机机界界面面、伺伺服服驱驱动动单单元元、手手摇摇脉脉冲冲发发生生器器等等外外部部设设备备连连接接，组组成成控控制制机机床床所所需需的的系系统统。这这些些接接口口包包括括CNCCNC装装置置的的输输入入输输出出接接口和通信接口两种口和通信接口两种n n接接口口是是保保证证信信息息快快速速、正正确确传传送送的的关关键键部部分分，现现代代CNCCNC装装置都具有完置都具有完备备的数据的数据传传送和通信接口。送和通信接口。n n据据CNCCNC装装置置的的型型号号和和价价格格定定位位，一一般般分分为为总总总总线线线线型型型型、模模模模拟拟拟拟量量量量型和高速脉冲型型和高速脉冲型型和高速脉冲型型和高速脉冲型。533.3.4 CNC装置的接口与通信CNC装置的接口与通信是将53输入/输出接口n n根根据据国国际际标标准准ISO4336-1981ISO4336-1981（E E）机机床床电电气气设设备备设设备备之之间间的的接口接口规规范范”的的规规定，定，计计算机数控装置接口分算机数控装置接口分为为四四类类。n n第第一一类类是是与与与与驱驱驱驱动动动动命命命命令令令令有有有有关关关关的的的的连连接接电电路路。这这类类信信号号包包括括CNCCNC装置到伺服装置到伺服驱动单驱动单元的指令信号，主元的指令信号，主轴驱动轴驱动指令等。指令等。第第二二类类是是与与与与检检检检测测测测系系系系统统统统和和和和测测测测量量量量传传传传感感感感器器器器间间间间的的的的连连接接电电路路。这这类类信信号包括光号包括光栅栅尺、尺、编码盘编码盘等之等之间间的信号的信号连连接。接。第第三三类类是是电电电电源源源源及及及及保保保保护护护护电电电电路路路路。这这类类接接口口包包括括计计算算机机数数控控装装置置、伺服伺服驱动单驱动单元的工作元的工作电电源，源，电电机机电电枢枢电电路等。路等。第第四四类类是是通通通通断断断断信信信信号号号号和和和和代代代代码码码码信信信信号号号号连连连连接接接接电电电电路路路路。这这类类信信号号包包括括“急急停停”，“进进给给保保持持”，“NC“NC准准备备好好”，“行行程程极极限限”，“复复位位”，“NC“NC报报警警”等。等。54输入/输出接口根据国际标准ISO4336-1981（E）机床54串行通信接口n n串行串行通信通信因其所需因其所需电线电线数量少，相距数量少，相距较远较远的的设备设备数据交数据交换换非常具有非常具有优势优势，在工，在工业业广泛广泛应应用。用。n n目前目前应应用最广的串行用最广的串行通信通信为为RS485RS485总线总线。n n要求通信距离要求通信距离为为几十米到上千米几十米到上千米时时，广泛采用，广泛采用RS-485RS-485串行串行总线标总线标准，最准，最简单简单的的485485总线总线可以用两根双可以用两根双绞线绞线即可即可实现实现两台两台设备设备的互的互联联。n nRS-485RS-485是是为为了弥了弥补补RS-232RS-232通信距离短、速率低等缺点而指通信距离短、速率低等缺点而指定的。定的。55串行通信接口串行通信因其所需电线数量少，相距较远的设备数据交553.3.4网络通信接口n n计计算算机机网网络络通通信信协协议议通通常常采采用用以以ISOISO开开放放式式互互连连系系统统参参考考模型的七模型的七层结层结构构为为基基础础的有关的有关协议协议。n n近近 年年 来来，制制 造造 自自 动动 化化 协协 议议 MAPMAP（ManufacturingManufacturingAutomationAutomationProtocalProtocal）已已成成为为应应用用于于工工厂厂自自动动化化的的标标准准工工业业局部网局部网络协议络协议。n n西西门门子子、FANUCFANUC、A-BA-B等等公公司司生生产产的的计计算算机机数数控控装装置置中中可以配置可以配置MAP2.1MAP2.1或或MAP3.0MAP3.0的网的网络络通信接口。通信接口。n nMAPMAP是是美美国国GMGM公公司司发发起起和和开开发发的的应应用用于于工工厂厂车车间间环环境境的通用网的通用网络络通信通信标标准。准。563.3.4 网络通信接口计算机网络通信协议通常采用以ISO开563.4 数控机床工作原理概述概述基准脉冲插补（脉冲增量插补）基准脉冲插补（脉冲增量插补）数据采样插补（数字增量插补）数据采样插补（数字增量插补）加工过程中的速度控制加工过程中的速度控制半径补偿算法半径补偿算法3.4 数控机床工作原理概述57第一节 概 述 一、插补的概念 二、插补方法分类 第一节 概 述58CNCCNC装置的工作过程装置的工作过程首先将加工零件图上的几何信息和工艺信息数字化，即首先将加工零件图上的几何信息和工艺信息数字化，即将刀具与工件的相对运动轨迹，用代码规定的规则和格式编将刀具与工件的相对运动轨迹，用代码规定的规则和格式编成加工程序，数控系统则按照程序的要求，进行相应的运算、成加工程序，数控系统则按照程序的要求，进行相应的运算、处理，然后发出控制命令，使各坐标轴、主轴以及辅助动作处理，然后发出控制命令，使各坐标轴、主轴以及辅助动作相互协调运动，实现刀具与工件的相对运动，自动完成零件相互协调运动，实现刀具与工件的相对运动，自动完成零件的加工。的加工。CNCCNC装置对输入加工程序的运算和处理的核心部分有三部：装置对输入加工程序的运算和处理的核心部分有三部：1.1.逼近处理：将待加工曲线分割成若干短直线。逼近处理：将待加工曲线分割成若干短直线。2.2.插补处理：将各短直线段分解为插补处理：将各短直线段分解为x x轴及轴及y y轴移动分量轴移动分量3.3.指令输出：将计算出的指令输出：将计算出的x x轴及轴及y y轴移动分量作为指令输出给轴移动分量作为指令输出给x x轴及轴及y y轴，以控制它们连动。轴，以控制它们连动。CNC装置的工作过程